Con la creciente presión sobre las emisiones globales de carbono y el cambio climático, Es urgente desarrollar alternativas energéticas más limpias en lugar de combustibles fósiles. El hidrógeno es un combustible limpio con cero emisiones de carbono porque solo produce agua inofensiva cuando se quema. Sin embargo, Es necesario seguir desarrollando una tecnología para producir el denominado "hidrógeno verde" para aplicaciones prácticas, que emplea en la división del agua utilizando una fuente de energía renovable. El hidrógeno solar es una tecnología ideal para producir combustible de hidrógeno a partir del uso de la luz solar, pero a pesar de la investigación intensiva en todo el mundo en las últimas décadas, el progreso ha sido lento.

El profesor Jae Sung Lee y su equipo de investigación en la Escuela de Energía e Ingeniería Química de UNIST, en colaboración con científicos del Instituto de Física Química de Dalian (DICP), China ha informado recientemente de un descubrimiento significativo que podría acercar la producción de hidrógeno solar a la realidad.

Se puede realizar la electrólisis del agua en hidrógeno y oxígeno, pero requiere grandes cantidades de electricidad que se produce en gran parte mediante la quema de combustibles fósiles. La división del agua fotoelectroquímica (PEC) proporciona una ruta ambientalmente benigna y más sostenible para la producción de hidrógeno. La hematita se considera un material fotoanodo candidato ideal para la aplicación a gran escala de separación de agua PEC debido a su abundancia natural. robustez química, y una banda prohibida ideal de 2,1 eV que permite una alta eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 16,8% (más del 10% es un requisito para la comercialización). Darse cuenta del alto rendimiento de la hematita correspondiente a su potencial prometedor sigue siendo un gran desafío debido a varios factores limitantes en sus propiedades optoelectrónicas. Debido a estas limitaciones, el rendimiento informado de los fotoanodos de hematita sigue siendo menos de la mitad de su rendimiento potencial.

El equipo de investigación diseñó y construyó con éxito un nuevo fotoanodo nanoestructurado basado en hematita, que es una formación de núcleo-capa de nanovarillas de homounión de hematita dopadas con tántalo en gradiente mediante la combinación de un segundo crecimiento hidrotermal y un recocido híbrido por microondas (HMA). Las nanovarillas de homounión dopadas con Ta gradiente dan como resultado una alta conductividad en el interior (dopaje fuerte con Ta5 +) mientras que los estados de la superficie en el exterior se pasivaron mediante la eliminación de los defectos superficiales causados ​​por el dopaje pesado con Ta5 +. Más crucialmente, esto construye un campo eléctrico adicional para suprimir la recombinación de carga, lo que lleva a una mejora significativa de la fotocorriente y una gran disminución del voltaje de encendido (consulte la Figura 1). La mayoría de las estrategias de modificación conocidas mejoran la generación de fotocorriente o reducen el voltaje de activación de la corriente. La singularidad de nuestra estrategia recientemente desarrollada es mejorar las dos figuras de mérito simultáneamente. Este trabajo demuestra muy bien cómo las múltiples estrategias de alto dopaje, La homounión y la carga de cocatalizador mejoran el rendimiento del fotoanodo. Como resultado, el fotoanodo finalmente optimizado mejora la densidad de la fotocorriente en un 66,8% y cambia su voltaje de encendido en ~ 270 mV en relación con el fotoanodo no modificado.

Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se produce reformando gas natural, que no es ni limpia ni sostenible. Con nuevos desarrollos, se puede producir hidrógeno limpio y verde a partir de la división del agua solar, y el descubrimiento actual podría ser un hito importante en tales desarrollos.

Los resultados de esta investigación se han publicado en Comunicaciones de la naturaleza .